KR20220141405A - 입자의 밀도 측정 장치 및 방법 - Google Patents

입자의 밀도 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 입자의 밀도를 도출함으로써, 입자의 크기만으로 분류할 수 없는 비슷한 크기의 입자들도 밀도에 따라 성분을 정확하게 파악할 수 있기 때문에, 공기 중 오염도를 보다 정확하게 측정하고, 입자의 성분에 따른 최적의 정화 기능을 수행하는 데 기여할 수 있다. 또한, 본 발명은, 밀폐된 챔버 내부에서 설정량의 공기를 순환시키는 동안 순환하는 입자의 개수 농도의 변화율을 측정하고, 상기 입자의 개수 농도의 변화율로부터 입자의 밀도를 도출할 수 있으므로, 고가의 밀도 측정 장비를 사용하지 않아도 되므로 비용이 절감될 수 있는 이점이 있다. 또한, 표준 실험을 통해 입자의 분리 속도, 입자의 직경 및 입자의 밀도의 관계에 대한 실험 데이터가 저장된 데이터 베이스가 미리 구축되고, 밀폐된 챔버 내부에서 공기를 설정시간동안 순환시킴으로써, 공기와 함께 순환하는 입자의 개수 농도의 변화율을 측정하고, 입자의 개수 농도의 변화율에 따라 순환하지 않고 분리되는 입자의 분리 속도를 산출하여, 상기 데이터 베이스로부터 상기 입자의 분리 속도에 따른 입자의 밀도를 도출할 수 있으므로, 고가의 장비를 사용하지 않고서도 입자의 밀도를 보다 용이하면서도 정확하게 도출할 수 있는 이점이 있다.

Description

입자의 밀도 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring the density of particles}
본 발명은 입자의 밀도 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 밀폐된 챔버 내에서 순환하는 유체 내의 순환 입자들의 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율에 따라 순환하지 않고 분리된 직경 구간별 입자의 분리 속도를 산출하고, 직경 구간별 입자의 분리 속도에 따라 입자의 밀도를 도출할 수 있는 입자의 밀도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근에는 실내 환경이나 공기 중 미세먼지에 대한 관심이 매우 높아지면서 공기 중 미세먼지를 포함한 입자를 측정하는 장치에 대한 관심도 높아지고 있다.
일반적으로 미세먼지를 측정하는 장치 중에서 광원을 이용하는 방식이 주로 사용되고 있다. 상기 광원을 이용한 미세먼지 측정장치는, 미세먼지를 포함하는 샘플 공기를 시험 유로로 강제 유입시켜 배출시키고, 상기 시험 유로에 광을 조사함으로써, 상기 시험 유로를 통과하는 샘플 공기 내 입자의 크기와 수를 산출하는 방식이다.
그러나, 종래의 광원을 이용한 미세먼지 측정장치는, 유체에 포함된 입자들의 수를 나타내는 농도는 측정가능하나 입자의 밀도에 대한 정보를 알 수 없으므로, 입자의 종류를 도출할 수 없는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 시험 유로를 통과하는 샘플 공기의 유량이 변할 경우 출력값이 변하게 되어 정확도가 낮아지는 문제점이 있다.
또한, 입자의 밀도를 직접 측정하는 고정밀도의 장치는 매우 고가의 장비이기 때문에, 상용화가 어려운 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2013-0134243호
본 발명의 목적은, 입자의 밀도를 보다 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 입자의 밀도 측정 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 입자의 밀도 측정 장치는, 측정 대상의 유체가 유입된 챔버를 밀폐시키고, 상기 챔버의 내부에서 상기 유체를 미리 설정된 순환 유로를 따라 순환시키는 동안, 센서부가 상기 유체에 포함되어 순환하는 순환 입자들의 각 직경과 직경 구간별 입자의 개수 농도를 측정하고, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율에 따라 상기 순환하지 않고 분리된 분리 입자들에 대한 직경 구간별 입자의 분리 속도를 산출하고, 실험을 통해 구축된 입자의 분리 속도, 입자의 직경 및 입자의 밀도의 관계에 대한 실험 데이터가 저장된 데이터베이스를 이용하여 상기 직경 구간별 입자의 분리 속도에 따른 입자의 밀도를 도출한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 입자의 밀도 측정 장치는, 흡기구를 통해 흡입된 측정 대상의 유체가 순환하도록 순환유로를 형성하는 유체 순환부와, 상기 유체 순환부에서 순환하지 않고 분리된 분리 입자들을 수용하는 분리 입자 수용부를 포함하고, 상기 유체가 유입된 후 밀폐되는 챔버와; 상기 흡기구에 설치되어, 상기 흡기구를 개폐시키는 흡기구 개폐수단과; 상기 챔버에 구비되어, 상기 유체 순환부의 내부에서 유체를 순환시키는 순환수단과; 상기 유체 순환부에 설치되어, 상기 순환유로를 따라 순환하는 유체에 레이저를 조사하여 상기 유체에 포함되어 순환하는 순환 입자들의 각 직경과 직경 구간별 입자의 개수 농도를 측정하는 레이저 센서와; 상기 흡기구 개폐수단, 상기 순환수단 및 상기 레이저 센서를 작동시켜, 상기 챔버를 밀폐시키고 상기 챔버의 내부에서 상기 유체를 순환시키는 동안, 상기 레이저 센서가 측정한 순환 입자들의 각 직경과 직경 구간별 입자의 개수 농도에 따라 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율을 산출하고, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율에 따라 상기 분리 입자 수용부로 분리된 분리 입자들에 대한 직경 구간별 입자의 분리 속도를 산출하고, 상기 직경 구간별 입자의 분리 속도에 따라 입자의 밀도를 도출하는 제어유닛을 포함한다.
또한, 실험을 통해 구축된 입자의 분리 속도, 입자의 직경 및 입자의 밀도의 관계에 대한 실험 데이터가 미리 저장된 데이터베이스를 더 포함하고, 상기 제어유닛은, 상기 데이터베이스로부터 상기 직경 구간별 입자의 분리 속도에 따른 상기 입자의 밀도를 도출한다.
상기 데이터베이스는, 상기 입자의 밀도와 입자의 종류의 관계에 대한 데이터를 더 포함하고, 상기 제어유닛은, 상기 입자의 밀도에 따라 상기 입자의 종류를 도출한다.
상기 챔버는, 상하방향으로 길게 형성된 통 형상이고 상부 일측에 상기 흡기구가 형성된다.
상기 순환유로는, 상기 흡기구에 연통되어 상기 흡기구를 통해 흡입된 유체를 하방향으로 안내하도록 형성된 하방향 유로와, 상기 하방향 유로의 하부와 연통되어 상기 하방향 유로를 통과한 유체를 횡방향으로 안내하도록 형성된 하측 횡방향 유로와, 상기 하측 횡방향 유로와 연통되어 상기 하측 횡방향 유로를 통과한 유체를 상방향으로 안내하도록 형성된 상방향 유로와, 상기 상방향 유로의 상부와 상기 하방향 유로의 상부를 연결하여 상기 상방향 유로를 통과한 유체를 상기 하방향 유로로 안내하는 상측 횡방향 유로를 포함한다.
상기 분리 입자 수용부는 상기 하측 횡방향 유로의 하부에 구비된다.
본 발명에 따른 입자의 밀도 측정 장치는, 측정 대상의 유체가 유입된 챔버를 밀폐시키고, 상기 챔버의 내부에서 미리 설정된 설정시간동안 상기 유체를 미리 설정된 순환 유로를 따라 순환시키는 동안, 센서부가 상기 유체에 포함되어 순환하는 순환 입자들의 각 직경과 직경 구간별 입자의 개수 농도를 측정하고, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율에 따라 상기 순환하지 않고 분리된 분리 입자의 개수 농도의 변화율을 산출하고, 실험을 통해 구축된 분리 입자의 개수 농도의 변화율, 입자의 직경 및 입자의 밀도의 관계에 대한 실험 데이터가 저장된 데이터베이스를 이용하여 상기 분리 입자의 개수 농도의 변화율에 따른 입자의 밀도를 도출한다.
본 발명에 따른 입자의 밀도 측정 방법은, 챔버의 내부에 미리 설정된 설정량의 유체가 유입되면, 상기 챔버의 흡기구를 차폐시켜 상기 챔버를 밀폐시키는 단계와; 상기 챔버가 밀폐되면, 상기 챔버에 구비된 순환수단을 작동시켜, 상기 챔버의 내부에 형성된 순환유로를 따라 미리 설정된 설정시간동안 유체를 순환시키는 단계와; 상기 유체가 순환되는 동안, 레이저 센서가 레이저를 조사하여 순환하는 유체에 포함되어 순환하는 순환 입자들의 각 직경, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도를 측정하는 단계와; 제어유닛이 상기 레이저 센서에서 측정된 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율을 산출하고, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율에 따라 순환하지 않고 분리된 분리 입자들에 대한 직경 구간별 입자의 분리 속도를 산출하는 단계와; 상기 제어유닛이 실험을 통해 구축된 입자의 분리 속도, 입자의 직경 및 입자의 밀도의 관계에 대한 실험 데이터가 저장된 데이터베이스를 이용하여 상기 직경 구간별 입자의 분리 속도에 따른 상기 입자의 밀도를 도출하는 단계를 포함한다.
상기 데이터베이스는, 상기 입자의 밀도와 입자의 종류의 관계에 대한 데이터를 더 포함하고, 상기 제어유닛은, 상기 입자의 밀도에 따라 상기 입자의 종류를 도출한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 입자의 밀도 측정 방법은, 챔버의 내부에 미리 설정된 설정량의 유체가 유입되면, 상기 챔버의 흡기구를 차폐시켜 상기 챔버를 밀폐시키는 단계와; 상기 챔버가 밀폐되면, 상기 챔버에 구비된 순환수단을 작동시켜, 상기 챔버의 내부에 형성된 순환유로를 따라 미리 설정된 설정시간동안 유체를 순환시키는 단계와; 상기 유체가 순환되는 동안, 레이저 센서가 레이저를 조사하여 순환하는 유체에 포함되어 순환하는 순환 입자들의 각 직경, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도를 측정하는 단계와; 제어유닛이 상기 레이저 센서에서 측정된 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율을 산출하고, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율에 따라 순환하지 않고 분리된 분리 입자의 개수 농도의 변화율을 산출하는 단계와; 상기 제어유닛이 실험을 통해 구축된 분리 입자의 개수 농도의 변화율, 입자의 직경 및 입자의 밀도의 관계에 대한 실험 데이터가 저장된 데이터베이스를 이용하여 상기 분리 입자의 개수 농도의 변화율에 따른 상기 입자의 밀도를 도출하는 단계를 포함한다.
본 발명은 입자의 밀도를 도출함으로써, 입자의 크기만으로 분류할 수 없는 비슷한 크기의 입자들도 밀도에 따라 성분을 정확하게 파악할 수 있기 때문에, 공기 중 오염도를 보다 정확하게 측정하고, 입자의 성분에 따른 최적의 정화 기능을 수행하는 데 기여할 수 있다.
또한, 본 발명은, 밀폐된 챔버 내부에서 설정량의 공기를 순환시키는 동안 순환하는 입자의 개수 농도의 변화율을 측정하고, 상기 입자의 개수 농도의 변화율로부터 입자의 밀도를 도출할 수 있으므로, 고가의 밀도 측정 장비를 사용하지 않아도 되므로 비용이 절감될 수 있는 이점이 있다.
또한, 표준 실험을 통해 입자의 분리 속도, 입자의 직경 및 입자의 밀도의 관계에 대한 실험 데이터가 저장된 데이터 베이스가 미리 구축되고, 밀폐된 챔버 내부에서 공기를 설정시간동안 순환시킴으로써, 공기와 함께 순환하는 입자의 개수 농도의 변화율을 측정하고, 입자의 개수 농도의 변화율에 따라 순환하지 않고 분리되는 입자의 분리 속도를 산출하여, 상기 데이터 베이스로부터 상기 입자의 분리 속도에 따른 입자의 밀도를 도출할 수 있으므로, 고가의 장비를 사용하지 않고서도 입자의 밀도를 보다 용이하면서도 정확하게 도출할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입자 밀도 측정장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 입자 밀도 측정장치에서 유체를 순환시키는 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 입자 밀도 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 다른 입자의 개수 농도, 입자의 분리 속도, 입자의 밀도 및 입자의 직경의 관계를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입자 밀도 측정장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 입자 밀도 측정장치에서 유체를 순환시키는 상태를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 입자의 밀도 측정장치는, 유체 내에 포함된 각 입자의 밀도(ρ)를 측정하기 위한 장치이다.
여기서, 상기 유체는 공기이고, 상기 입자들은 황사와 같은 고밀도의 토양 입자, 꽃가루, 보푸라기와 같은 저밀도의 섬유먼지 등 밀도가 서로 다르고 공기 중에 포함될 수 있는 다양한 미세 입자들인 것으로 예를 들어 설명한다. 여기서, 상기 입자의 밀도(ρ)는 입자의 단위 체적당 입자의 질량을 의미한다.
상기 입자의 밀도 측정장치는, 챔버(10), 흡기구 밸브(20), 상기 배기구 밸브(30), 순환수단(미도시), 센서부 및 제어유닛(미도시)을 포함한다.
상기 챔버(10)는, 유체가 내부에서 미리 설정된 순환유로를 따라 순환가능하도록 상하방향으로 길게 형성된 통 형상으로 형성된 것으로 예를 들어 설명한다. 즉, 본 실시예에서는, 상기 챔버(10)의 내부에서 유체가 순환하는 동안 일부 입자들이 중력 방향인 하방향으로 침강되어 분리되는 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 챔버(10)는 내부에서 유체가 순환 가능하도록 순환유로를 형성할 수 있는 형상이라면 어느 것이나 가능하다. 또한, 상기 챔버(10)의 내부에서 순환하는 입자들 중 일부 입자들은 중력 이외에 원심력, 송풍력, 점도 등 다양한 다른 조건에 의해 하방향 이외에 다른 방향과 다른 위치로 분리되거나 내측벽면에 붙는 방식으로 분리되는 것도 물론 가능하다.
상기 챔버(10)의 상부에는 흡기구(10a)가 형성되고, 하부에는 배기구(10b)가 형성된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 흡기구(10a)와 상기 배기구(10b)는 상기 챔버(10)의 상,하,좌,우 측면 중 어느 위치에나 형성 가능하다.
상기 흡기구(10a)와 상기 배기구(10b)는 개구된 홀 형상인 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 그릴 형상 등 공기를 흡기 또는 배출할 수 있는 형상이라면 적용 가능하다.
상기 흡기구(10a)에는 상기 흡기구 밸브(20)가 설치된다. 상기 흡기구 밸브(20)는, 상기 제어유닛(미도시)의 제어에 따라 상기 흡기구(10a)를 개폐시키는 개폐수단이다.
상기 배기구(10b)에는 상기 배기구 밸브(30)가 설치된다. 상기 배기구 밸브(30)는, 상기 제어유닛(미도시)의 제어에 따라 상기 배기구(10b)를 개폐시킨다.
상기 챔버(10)의 내부는, 유체가 순환하는 순환유로(12)를 형성하는 유체 순환부와, 상기 유체 순환부의 하부에 연통되게 형성되어 상기 유체 순환부로부터 분리되는 분리 입자들을 수용하는 분리 입자 수용부(14)로 구획되어 형성된다.
상기 유체 순환부는, 상기 흡기구(10a)를 통해 흡입된 유체가 순환하도록 순환유로(12)를 형성한다.
상기 순환유로(12)는, 하방향 유로(12a), 하측 횡방향 유로(12b), 상방향 유로(12c) 및 상측 횡방향 유로(12d)를 포함하는 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 하방향 유로(12a)는, 상기 흡기구(10a)에 연통되어 상기 흡기구(10a)를 통해 흡입된 유체를 하방향으로 안내하도록 형성된 유로이다.
상기 하측 횡방향 유로(12b)는, 상기 하방향 유로(12a)와 상기 상방향 유로(12c)의 하부에 연통되게 형성되어, 상기 하방향 유로(12a)를 통과한 유체를 상기 상방향 유로(12c)로 안내하도록 형성된 유로이다.
상기 상방향 유로(12c)는, 상기 하측 횡방향 유로(12b)에 연통되어, 상기 하측 횡방향 유로(12b)를 통과한 유체를 상방향으로 안내하도록 형성된 유로이다.
상기 상측 횡방향 유로(12d)는, 상기 상방향 유로(12c)와 상기 하방향 유로(12a)의 상부를 연결하여, 상기 상방향 유로(12c)를 통과한 유체를 상기 하방향 유로(12a)로 안내하도록 형성된 유로이다.
상기와 같이 상기 순환 유로(12)는 상기 유체를 상하방향으로 순환시키는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 상기 순환 유로(12)는 상기 유체를 수평방향 또는 그 외 다른 방향으로 순환시키는 것도 물론 가능하다.
상기 순환수단(미도시)은, 상기 유체 순환부의 내부에서 유체를 강제 순환시키기 위한 장치이다. 상기 순환수단(미도시)은 순환팬인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 센서부는, 상기 순환유로(12) 상에 설치되어 상기 순환유로(12)를 순환하는 유체에 레이저를 조사하여 유체 내에 포함되어 순환하는 순환 입자들의 직경(diameter)과, 입자의 개수 농도(particle number concentration, NC)를 측정하기 위한 레이저 센서(50)이다. 상기 개수 농도(NC)는 공기의 단위 체적당 입자들의 개수를 의미한다.
상기 레이저 센서(50)는, 상기 유체를 향해 레이저를 조사하는 레이저 소스(51)와, 상기 레이저 소스(51)에 대향되게 배치되어 상기 유체를 통과한 레이저의 강도(intensity)를 측정하는 디텍터(52)를 포함한다.
상기 레이저 센서(50)는, 상기 디텍터(52)에서 감지된 강도에 따라 유체에 포함된 입자의 직경(D)과, 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)를 측정할 수 있다. 여기서, 상기 입자의 직경(D)은 하나의 값인 것도 가능하고, 소정의 범위를 가지는 직경 구간으로 측정되는 것도 가능하다. 상기 입자의 개수 농도는 상기 직경 구간별로 구분되는 직경 구간별 입자의 개수 농도인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 레이저 센서(50)는, 상기 하방향 유로(12a)를 통과하는 유체에 레이저를 조사하도록 설치된 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 제어유닛(미도시)은, 상기 흡기구 밸브(20), 상기 배기구 밸브(30), 상기 레이저 센서(50), 상기 순환수단(미도시)의 작동을 제어한다.
또한, 상기 제어유닛(미도시)은, 상기 레이저 센서(50)에서 측정된 순환 입자들의 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)의 변화율에 따라 상기 챔버(10)에서 순환하지 않고 분리된 분리 입자의 분리 속도(v)를 산출한다.
여기서, 분리 입자의 분리 속도(v)는, 직경 구간별로 산출되므로 직경 구간별 입자의 분리 속도(v)라 칭한다.
상기 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)의 변화율은, 순환하는 유체 내에서 순환하는 입자들의 시간당 개수 농도가 변하는 비율이다.
상기 유체로부터 분리되는 입자들의 분리 속도(v)가 클수록 상기 순환 입자들의 개수 농도(NC)의 변화율이 크기 때문에, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)를 측정함으로써 상기 직경 구간별 입자의 분리 속도(v)를 산출할 수 있다.
또한, 상기 제어유닛(미도시)은, 미리 구축된 데이터베이스(미도시)로부터 상기 직경 구간별 입자의 분리 속도(v)에 따른 입자의 밀도(ρ)를 도출할 수 있다.
상기 데이터베이스(미도시)에는, 표준 실험을 통해 입자의 분리 속도(v), 입자의 직경(D) 및 입자의 밀도(ρ)의 관계에 대한 복수의 실험 데이터들이 저장된다.
여기서, 상기 표준 실험은, 직경과 밀도가 각각 다른 복수의 입자들을 포함하는 유체를 밀폐된 챔버내에서 순환시키면서 복수의 입자들마다 분리되는 분리 속도를 복수회 측정한 실험이다.
상기 입자의 분리 속도(v), 입자의 직경(D) 및 입자의 밀도(ρ)의 관계에 대한 식은 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
또한, 상기 데이터베이스에는, 상기 입자의 밀도(ρ)와 입자의 종류의 관계에 대한 데이터도 미리 저장된다. 여기서, 상기 입자의 종류는 황사와 같은 토양 입자, 꽃가루, 보푸라기 등 입자의 성분에 따라 구분되는 종류이다.
상기 데이터베이스(미도시)는 상기 제어유닛(미도시)에 포함되는 것도 가능하고, 별도로 구비되어 상기 제어유닛(미도시)과 유,무선 통신을 하도록 구성되는 것도 가능하다.
또한, 상기 챔버(10)의 내부에는 상기 챔버(10)의 내부로 유입된 공기의 유량을 감지하는 유량 센서(미도시)가 구비될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 입자의 밀도 측정 장치를 이용하여 입자의 밀도를 측정하는 방법을 설명하면, 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 입자 밀도 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 상기 흡기구(10a)를 통해 미리 설정된 설정량의 유체(이하, 공기라 칭한다.)를 상기 챔버(10)의 내부로 유입시킨다.(S1)
상기 제어유닛(미도시)은, 상기 공기가 상기 설정량만큼 유입될 때까지 상기 흡기구 밸브(20)가 상기 흡기구(10a)를 개방하도록 제어한다. 상기 공기의 흡입량은 상기 유량 센서(미도시)에 의해 측정될 수 있다. 이 때, 상기 배기구(10b)는 차폐된 상태이다.
이후, 상기 설정량의 공기가 흡입되면, 상기 제어유닛은 상기 흡기구 밸브(20)가 상기 흡기구(10a)를 차폐하도록 제어한다.(S2)
따라서, 상기 챔버(10)의 내부에 공기가 상기 설정량만큼만 흡입되면, 상기 흡기구(10a)가 차폐되어, 상기 챔버(10)는 밀폐된 상태가 된다.
상기 제어유닛(미도시)은, 상기 흡기구(10a)를 차폐시킨 후 상기 순환수단(미도시)을 작동시켜, 밀폐된 상기 챔버(10) 내부의 공기를 상기 순환유로(12)를 따라 강제 순환시킨다. 상기 제어유닛(미도시)은, 상기 순환수단(미도시)을 미리 설정된 설정시간동안 작동시켜, 상기 챔버(10) 내부에서 상기 설정시간동안 공기를 순환시킨다.(S3)
상기 공기는 상기 하방향 유로(12a), 상기 하측 횡방향 유로(12b), 상기 상방향 유로(12c) 및 상기 상측 횡방향 유로(12d)를 따라 반복적으로 순환한다.
상기 공기가 상기 설정 시간동안 순환시, 상기 공기 중에 포함된 입자들 중 일부 입자들은 시간차를 두고 침강하여 분리된다.
상기 공기가 순환되는 동안, 상기 레이저 센서(50)는 상기 하방향 유로(12a)를 따라 흐르는 공기에 레이저를 조사하여, 순환하는 공기에 포함되어 순환하는 순환 입자들의 직경(D)과 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)를 측정한다.(S4)
즉, 상기 레이저 센서(50)의 레이저 소스(51)에서 상기 순환하는 공기에 레이저를 조사하면, 상기 디텍터(52)는 상기 공기를 통과한 레이저의 강도 변화를 측정함으로써, 상기 순환하는 공기 내에 포함된 순환 입자들의 각 직경(D)과 입자의 개수 농도(NC)를 측정할 수 있다.
상기 순환 입자들의 직경(D)은 서로 다르고, 상기 입자의 개수 농도(NC)는 입자의 직경 구간별로 각각 산출되므로, 이하 상기 입자의 개수 농도(NC)는 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)라고 칭한다.
상기 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)는, 공기의 단위 체적당 해당 직경을 가지는 입자들의 개수를 의미한다.
이 때, 상기 레이저 센서(50)는 소정의 시간 간격으로 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)를 측정한다.
따라서, 상기 제어유닛(미도시)은 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)의 변화율을 산출할 수 있다.
즉, 상기 챔버(10)를 밀폐시킨 상태에서 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)를 측정하기 때문에, 시간의 경과에 따른 개수 농도의 변화, 즉 변화율을 산출가능하다. 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)의 변화율을 산출할 수 있기 때문에 후술하는 입자의 밀도 측정이 가능해질 수 있다. 반면, 상기 챔버(10)를 개방시킨 상태에서도 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)는 측정가능하나, 공기의 유입과 배출이 이루어지는 상태에서는 시간 경과시 분리되는 분리 입자에 따라 변하는 입자의 개수 농도의 변화율은 측정이 불가능하다.
상기 제어유닛(미도시)은, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)의 변화율에 따라 순환하지 않고 분리된 분리 입자의 분리 속도(v)를 산출한다.(S5)
여기서, 상기 분리 입자의 분리 속도(v)는, 입자의 직경 구간별로 각각 산출되므로, 이하 직경 구간별 입자의 분리 속도(v)라고 한다.
상기 공기 중에 포함된 입자들 중 일부가 분리되면, 분리되는 분리 입자의 개수 농도만큼 상기 레이저 센서(50)에서 측정되는 순환하는 입자의 개수 농도는 감소하게 된다. 즉, 상기 레이저 센서(50)에서 측정된 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)는 상기 분리 입자의 개수 농도(NC)에 따라 변하고, 상기 분리 입자의 분리 속도의 증감에 따라 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)의 변화율도 증감하기 때문에, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도(NC)의 변화율을 알면 상기 분리 입자의 분리 속도(v)를 산출할 수 있다.
상기 제어유닛(미도시)은 상기 직경 구간별 입자의 분리 속도(v)를 산출한 후, 상기 데이터베이스(미도시)를 이용하여 상기 직경 구간별 입자의 분리 속도(v)에 따른 입자의 밀도(ρ)를 도출한다.(S6)
상기 데이터베이스(미도시)에는 상기 표준 실험을 통해 입자의 분리 속도(v), 입자의 직경(D) 및 입자의 밀도(ρ)의 관계에 대한 복수의 실험 데이터들이 저장되어 있으므로, 상기 데이터베이스(미도시)로부터 상기 직경 구간별 입자의 분리 속도(v)에 따른 입자의 밀도(ρ)를 도출할 수 있다.
수학식 1과 도 4를 참조하면, 상기 직경 구간별 입자의 분리 속도(v)는 상기 입자의 밀도(ρ)와 상기 입자의 직경(D)에 대한 함수이다.
따라서, 상기 입자의 직경(D)과 상기 입자의 분리 속도(v)를 알면, 상기 입자의 밀도(ρ)를 도출할 수 있다.
도 4는 입자의 개수 농도(NC), 입자의 분리 속도(v), 입자의 직경(D), 입자의 밀도(ρ)의 관계를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 시간이 경과함에 따라 분리되는 입자들이 증가하기 때문에 순환하는 입자들의 개수 농도(NC)는 감소하되, 입자들의 직경에 따라 입자의 개수 농도와 개수 농도의 변화율은 다르게 나타나고, 상기 입자의 분리 속도(v)는 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율에 비례하고, 상기 입자의 밀도(ρ)는 입자의 직경(D)과 입자의 분리 속도(v)에 따라 다르게 나타난다.
따라서, 상기 입자의 직경(D)과, 해당 직경을 가지는 입자의 분리 속도(v)를 알면, 상기 입자의 밀도(ρ)를 도출할 수 있다.
또한, 상기 입자의 밀도(ρ)를 도출하면, 상기 제어유닛(미도시)은 상기 데이터베이스로부터 상기 입자의 밀도(ρ)에 따른 상기 입자의 종류를 도출할 수 있다.(S7)
즉, 상기 입자의 밀도(ρ)에 따라 상기 입자의 종류를 도출함으로써, 상기 입자의 밀도(ρ)에 따라 입자가 황사 등과 같은 토양 입자인지, 보푸라기와 같은 섬유 먼지인지도 구분할 수 있다.
한편, 상기와 같은 방법으로 상기 입자의 밀도(ρ)를 도출한 이후, 공기 중에 포함된 미세먼지 등 입자의 질량 농도(μg/m3)를 측정하는 방법은 다음과 같다.
상기 입자의 질량 농도(μg/m3)를 측정하기 위해서는 상기 챔버(10)를 개방시킨다. 즉, 상기 제어유닛은 상기 챔버(10)의 흡기구와 배기구를 모두 개방시켜, 공기가 상기 챔버(10)로 흡입된 후 상기 배기구를 통해 토출되도록 한다.
상기 챔버(10)가 개방되어 공기가 상기 챔버(10)의 내부를 순환하지 않고 상기 챔버(10)를 통과하는 동안, 상기 레이저 센서(50)가 공기에 포함된 입자의 직경, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도(개/m3)를 측정한다.
상기 제어유닛은, 상기에서 도출한 상기 입자의 밀도(ρ)를 이용하여 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도(개/m3)를 상기 직경 구간별 입자의 질량 농도(μg/m3)로 환산할 수 있다. 여기서, 상기 입자의 질량 농도(μg/m3)는 공기의 단위 체적당 포함된 입자의 질량이고, 상기 입자의 밀도(ρ)는 각 입자 자체의 부피, 즉 입자의 단위 체적에 대한 입자의 질량을 의미한다.
따라서, 상기 챔버(10)를 설정 시간동안 밀폐하여 상기 입자의 밀도(ρ)를 도출한 이후, 상기 챔버(10)를 다시 개방시켜 공기를 통과시키면서 상기 입자의 밀도(ρ)를 적용하여 상기 직경 구간별 입자의 질량 농도(μg/m3)를 보다 정확하게 도출할 수 있다.
한편, 종래에 입자의 크기와 수만 도출하는 경우, 크기는 유사하나 밀도가 다른 고밀도의 황사 먼지와 저밀도의 섬유 먼지를 구분하지 못하므로 입자의 종류에 따른 적절한 대응을 할 수 없는 문제점이 있었다. 반면, 본 발명에서는 입자의 밀도(ρ)를 도출함으로써, 비슷한 크기의 입자들도 보다 정확하게 입자의 성분을 구분할 수 있기 때문에, 공기 중 오염도를 측정하거나 필터링하기 위한 대응을 보다 잘 할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에서는 밀폐된 챔버 내부에서 설정량의 공기를 순환시키는 동안 순환 입자의 개수 농도(NC)의 변화율을 측정하여, 상기 입자의 개수 농도(NC)의 변화율로부터 입자의 밀도(ρ)를 도출할 수 있으므로, 고가의 밀도 측정 장비를 사용하지 않아도 되므로 비용이 절감될 수 있는 이점이 있다.
한편, 상기 실시예에서는, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율로부터 순환하지 않고 분리된 입자의 분리 속도를 산출하는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 상기 제어유닛은 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율로부터 상기 분리된 분리 입자의 개수 농도의 변화율을 산출하고, 상기 분리 입자의 개수 농도의 변화율로부터 입자의 밀도를 도출하는 것도 물론 가능하다. 이 때, 상기 데이터베이스에는 분리 입자의 개수 농도의 변화율, 입자의 직경 및 입자의 밀도의 관계에 대한 데이터가 미리 저장된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 챔버 10a: 흡기구
12: 순환 유로 14: 분리 입자 수용부
20: 흡기구 밸브 30: 배기구 밸브
50: 레이저 센서

Claims (12)

  1. 측정 대상의 유체가 유입된 챔버를 밀폐시키고, 상기 챔버의 내부에서 상기 유체를 미리 설정된 순환 유로를 따라 순환시키는 동안, 센서부가 상기 유체에 포함되어 순환하는 순환 입자들의 각 직경과 직경 구간별 입자의 개수 농도를 측정하고, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율에 따라 상기 순환하지 않고 분리된 분리 입자들에 대한 직경 구간별 입자의 분리 속도를 산출하고, 실험을 통해 구축된 입자의 분리 속도, 입자의 직경 및 입자의 밀도의 관계에 대한 실험 데이터가 저장된 데이터베이스를 이용하여 상기 직경 구간별 입자의 분리 속도에 따른 입자의 밀도를 도출하는 입자의 밀도 측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 측정 대상의 유체는 공기인 입자의 밀도 측정 장치.
  3. 흡기구를 통해 흡입된 측정 대상의 유체가 순환하도록 순환유로를 형성하는 유체 순환부와, 상기 유체 순환부에서 순환하지 않고 분리된 분리 입자들을 수용하는 분리 입자 수용부를 포함하고, 상기 유체가 유입된 후 밀폐되는 챔버와;
    상기 흡기구에 설치되어, 상기 흡기구를 개폐시키는 흡기구 개폐수단과;
    상기 챔버에 구비되어, 상기 유체 순환부의 내부에서 유체를 순환시키는 순환수단과;
    상기 유체 순환부에 설치되어, 상기 순환유로를 따라 순환하는 유체에 레이저를 조사하여 상기 유체에 포함되어 순환하는 순환 입자들의 각 직경과 직경 구간별 입자의 개수 농도를 측정하는 레이저 센서와;
    상기 흡기구 개폐수단, 상기 순환수단 및 상기 레이저 센서를 작동시켜, 상기 챔버를 밀폐시키고 상기 챔버의 내부에서 상기 유체를 순환시키는 동안, 상기 레이저 센서가 측정한 순환 입자들의 각 직경과 직경 구간별 입자의 개수 농도에 따라 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율을 산출하고, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율에 따라 상기 분리 입자 수용부로 분리된 분리 입자들에 대한 직경 구간별 입자의 분리 속도를 산출하고, 상기 직경 구간별 입자의 분리 속도에 따라 입자의 밀도를 도출하는 제어유닛을 포함하는 입자의 밀도 측정 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    실험을 통해 구축된 입자의 분리 속도, 입자의 직경 및 입자의 밀도의 관계에 대한 실험 데이터가 미리 저장된 데이터베이스를 더 포함하고,
    상기 제어유닛은, 상기 데이터베이스로부터 상기 직경 구간별 입자의 분리 속도에 따른 상기 입자의 밀도를 도출하는 입자의 밀도 측정 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 데이터베이스는, 상기 입자의 밀도와 입자의 종류의 관계에 대한 데이터를 더 포함하고,
    상기 제어유닛은, 상기 입자의 밀도에 따라 상기 입자의 종류를 도출하는 입자의 밀도 측정 장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 챔버는, 상하방향으로 길게 형성된 통 형상이고 상부 일측에 상기 흡기구가 형성된 입자의 밀도 측정 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 순환유로는,
    상기 흡기구에 연통되어 상기 흡기구를 통해 흡입된 유체를 하방향으로 안내하도록 형성된 하방향 유로와,
    상기 하방향 유로의 하부와 연통되어 상기 하방향 유로를 통과한 유체를 횡방향으로 안내하도록 형성된 하측 횡방향 유로와,
    상기 하측 횡방향 유로와 연통되어 상기 하측 횡방향 유로를 통과한 유체를 상방향으로 안내하도록 형성된 상방향 유로와,
    상기 상방향 유로의 상부와 상기 하방향 유로의 상부를 연결하여 상기 상방향 유로를 통과한 유체를 상기 하방향 유로로 안내하는 상측 횡방향 유로를 포함하는 입자의 밀도 측정 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 분리 입자 수용부는 상기 하측 횡방향 유로의 하부에 구비된 입자의 밀도 측정 장치.
  9. 측정 대상의 유체가 유입된 챔버를 밀폐시키고, 상기 챔버의 내부에서 미리 설정된 설정시간동안 상기 유체를 미리 설정된 순환 유로를 따라 순환시키는 동안, 센서부가 상기 유체에 포함되어 순환하는 순환 입자들의 각 직경과 직경 구간별 입자의 개수 농도를 측정하고, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율에 따라 상기 순환하지 않고 분리된 분리 입자의 개수 농도의 변화율을 산출하고, 실험을 통해 구축된 분리 입자의 개수 농도의 변화율, 입자의 직경 및 입자의 밀도의 관계에 대한 실험 데이터가 저장된 데이터베이스를 이용하여 상기 분리 입자의 개수 농도의 변화율에 따른 입자의 밀도를 도출하는 입자의 밀도 측정 장치.
  10. 챔버의 내부에 미리 설정된 설정량의 유체가 유입되면, 상기 챔버의 흡기구를 차폐시켜 상기 챔버를 밀폐시키는 단계와;
    상기 챔버가 밀폐되면, 상기 챔버에 구비된 순환수단을 작동시켜, 상기 챔버의 내부에 형성된 순환유로를 따라 미리 설정된 설정시간동안 유체를 순환시키는 단계와;
    상기 유체가 순환되는 동안, 레이저 센서가 레이저를 조사하여 순환하는 유체에 포함되어 순환하는 순환 입자들의 각 직경, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도를 측정하는 단계와;
    제어유닛이 상기 레이저 센서에서 측정된 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율을 산출하고, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율에 따라 순환하지 않고 분리된 분리 입자들에 대한 직경 구간별 입자의 분리 속도를 산출하는 단계와;
    상기 제어유닛이 실험을 통해 구축된 입자의 분리 속도, 입자의 직경 및 입자의 밀도의 관계에 대한 실험 데이터가 저장된 데이터베이스를 이용하여 상기 직경 구간별 입자의 분리 속도에 따른 상기 입자의 밀도를 도출하는 단계를 포함하는 입자의 밀도 측정 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 데이터베이스는, 상기 입자의 밀도와 입자의 종류의 관계에 대한 데이터를 더 포함하고,
    상기 제어유닛은, 상기 입자의 밀도에 따라 상기 입자의 종류를 도출하는 입자의 밀도 측정 방법.
  12. 챔버의 내부에 미리 설정된 설정량의 유체가 유입되면, 상기 챔버의 흡기구를 차폐시켜 상기 챔버를 밀폐시키는 단계와;
    상기 챔버가 밀폐되면, 상기 챔버에 구비된 순환수단을 작동시켜, 상기 챔버의 내부에 형성된 순환유로를 따라 미리 설정된 설정시간동안 유체를 순환시키는 단계와;
    상기 유체가 순환되는 동안, 레이저 센서가 레이저를 조사하여 순환하는 유체에 포함되어 순환하는 순환 입자들의 각 직경, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도를 측정하는 단계와;
    제어유닛이 상기 레이저 센서에서 측정된 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율을 산출하고, 상기 직경 구간별 입자의 개수 농도의 변화율에 따라 순환하지 않고 분리된 분리 입자의 개수 농도의 변화율을 산출하는 단계와;
    상기 제어유닛이 실험을 통해 구축된 분리 입자의 개수 농도의 변화율, 입자의 직경 및 입자의 밀도의 관계에 대한 실험 데이터가 저장된 데이터베이스를 이용하여 상기 분리 입자의 개수 농도의 변화율에 따른 상기 입자의 밀도를 도출하는 단계를 포함하는 입자의 밀도 측정 방법.
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